同济大学材料研究方法课件
《材料研究方法》幻灯片
❖ 当光程差等于波长的整数倍〔 n〕时 ，在 角方向散射干预加强。即程
差δ=0，从上式可以看出一层原子面上所有散射波干预将会加强。与可见光的反 射定律相类似，Ⅹ射线从一层原子面呈镜面反射的方向，就是散射线干预加强的 方向，因此，常将这种散射称从晶面反射。
布拉格定律的推证
dHKL
d，hk那l 么 n
2dHK sL in
❖ 这样由〔hkl〕晶面的n级反射，可以看成由面间 距为的〔HKL〕晶面的1级反射，〔hkl〕与 〔HKL〕面互相平行。面间距为的 dHKL 晶面 不一定是晶体中的原子面，而是为了简化布拉格
公式而引入的反射面，常将它称为干预面。
布拉格定律的讨论-----〔3〕 干预面和干预指数
布拉格方程
❖ 用劳厄方程描述x射线被晶体的衍射现象时，入射线、衍射线 与晶轴的六个夹角不易确定，用该方程组求点阵常数比较困 难。所以，劳厄方程虽能解释衍射现象，但使用不便。1912 年英国物理学家布拉格父子〔Bragg，W.H.＆Bragg，W.L.〕 从x射线被原子面“反射〞的观点出发，推出了非常重要和实 用的布拉格定律。
❖ 因此，将x射线的晶面反射称为选择反射，反射之所以有 选择性，是晶体内假设干原子面反射线干预的结果。
布拉格定律的讨论-----〔2〕 衍射的限制条件
❖ 由布拉格公式2dsinθ=nλ可知，sinθ=nλ/2d，因 sinθ<1，故nλ/2d <1。
❖ 为使物理意义更清楚， 现考虑n＝1〔即1级反射〕的情况， 此时λ/2<d， 这就是能产生衍射的限制制条件。
❖ 干预指数有公约数n，而晶面指数只能是互 质的整数。当干预指数也互为质数时，它 就代表一组真实的晶面，因此，干预指数 为晶面指数的推广，是广义的晶面指数。
同济大学材料科学基础第六章SPPT课件
反尖晶石 —— 一半三价离子与二价离子互 换位置
一半三价离子占据 V4 二价离子 + 另一半三价离子占据 V8 化学式 B(AB)O4
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结构与性质 镁铝尖晶石是一种陶瓷材料的晶相 在一些耐火材料中也常存在这种晶相 反尖晶石则是一类氧化物铁氧体磁性材料，
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（2）萤石的解理性 由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被
Ca2+填充，所以，在（111）面网上存在 着相互毗邻的同号离子层，其静电斥力将其 主要作用，导致晶体在平行于（111）面网 方向上容易发生解理，因此，萤石常呈八面 体解理。而NaCl晶体却无此性能。
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（4）ABO3型晶体
第六章 无机非金属材料 的结构特征
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总体概述
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无机非金属材料的基本含义：
无机非金属材料是由指一种或多种金属元素同一种非 金属元素（如C、O、N等，通常为O）结合而成的 化合物,这些化合物主要是金属氧化物或金属非氧 化物，它几乎包含了除金属材料和高分子材料以为 的所有材料。
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（2） AX2型晶体 （萤石型，CaF2）
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AB2型化合物， rc/ra>0.732（0.85） 配位数：8：4 Ca2+作立方紧密堆积， F-填入全部四面体空隙中。 注意：所有八面体空隙都未被占据。萤石型结构的
氧化物在结构陶瓷和功能陶瓷方面具有重要的技术 应用。如CeO2、ZrO2、UO2等。萤石结构的衍 生结构如焦绿石（通式A2B2O7,Gd2Ti2O7）
起电介质的极化状态的改变不能及时被
4ElectricMicroscopy（4）同济大学材料研究方法英文课件
4ElectricMicroscopy（4）同济⼤学材料研究⽅法英⽂课件TEM Operation TEM offers two methods of specimenobservationdiffraction mode and image mode.In image mode, the condenser lens and aperture will control electron beam to hitthe specimen, the transmitted beam willbe focused and enlarged by objectiveand projector lens and form the image inthe screen, with recognizable detailsrelated to the sample microstructure.TEM OperationTEM offers two methods of specimenobservationdiffraction mode and image mode.In diffraction mode, an electron diffraction pattern is obtained on the fluorescent screen,originating from the sample area illuminatedby the electron beam. The diffractionpattern is entirely equivalent to an X-raydiffraction pattern:A single crystal will produce a spot patternon the screen;Poly-crystal will produce a powder or ringpattern;A glassy or amorphous material will producea series of diffuse halos.The Diffraction Mode of TEMWilliam Henry Bragg1862 –1942Nobel Prize in Physics1915X-ray diffraction in a crystal.Like an electron beam an X-rayhas its own wavelength which isproportional to its energyThe Diffraction of Electron Beam If an electron beam withwavelength of λstrikes a crystalat the appropriate Bragg ’s angle,a number of the diffractedelectrons will be forwardscattered.Like the transmitted electrons,these diffracted electrons willhave nearly their same energybut will have been significantlyaltered from their trajectory.The result is an electron diffraction pattern. The pattern one obtains is completely dependent on the d-spacing and composition of the crystal that is being analyzed.The Electron Diffraction Patternλ= 2d sin θThe Electron Diffraction Pattern of Single CrystalSingle Crystal An Electron Diffraction from a single crystal will result in a series of diffraction spots arranged in concentric rings around the central bright spot which is comprised of transmitted electrons.The Electron Diffraction Pattern of Poly-CrystalPolycrystal If an Electron Diffraction is made of field of many crystals, some of which are oriented at the Bragg’s angle while others are not, a pattern with well defined concentric rings, but not spots, will result.If an Electron Diffraction is made of an amorphous structure (i.e. no crystalline formation) then one simply gets a central bright spot comprised of transmitted electrons and a single ring of randomly forward scattered electrons.The Electron Diffraction Patternof Amorphous StructureThe Electron Diffraction Patterns Four results of Electron Diffraction Patternsare listed as follow:--No sample : No reflections (only transmitted beam)--Amorphous: Transmitted beam + random scattering--Polycrystal : Transmitted beam + rings--Single crystal: Transmitted beam + regulararranged s potsHow to know the variety of crystal?P = Photographic plane L = Camera length R = vector distanceλ: the electron wavelengthwhen TEM as a diffraction cameraR / L = tan 2θaccording to Bragg law2dsin θ= λ.because the θis so small, sotan 2θ≈2sin θThusR = λL / dIf we can measure R and both λand L are constants, then d can be calculated The R values for different order diffraction events can be measured directly from a diffraction pattern. When we know the camera length L and the electron wavelength λ, the value of d-spacing can be calculated.How to know the variety of crystal?R = λL / dThe Electron Diffraction of Single Crystal The R values can be obtained from spot pattern .The Image ModeThe image mode produces an image of the illuminated sample area with different brightness.The image can contain contrast brought about byseveral mechanisms--mass contrast, due to spatial separations between distinct atomic constituents;--thickness contrast, due to nonuniformin sample thickness;--diffraction contrast, which in the case ofcrystalline materials results fromscattering of the incident electron waveby structural defects;--phase contrastThe Image Modes of TEMThere are three primary image modes that are used in conventional TEM workbright-field microscopydark-field microscopyhigh-resolution electron microscopyIn practice, the three imagemodes differ in the way inwhich an objective apertureis used as a filter in electricoptics system.The Bright Field Image ModeIn bright-field microscopy, asmall objective aperture is usedto block all diffracted beams andto pass only the transmitted(undiffracted) electron beam.This mode takes advantage ofmass or diffraction contrast toimage the internalmicrostructure of materials.The Dark Field Image ModeThis mode makes use of thespecific Bragg diffractedelectrons to image the regionfrom which they originated. Itallows to link diffractioninformation with specificregions in the sample.implantation of Ag -ions in the central body Bright-field image Vs Dark-field image Bright field mode Dark field mode T h e c on v e r s e d i m a g esBright-field image Vs Dark-field image Bright field mode Dark field modeThe High-Resolution TEMHigh-resolution TEM use a large-diameter objective aperture thatadmits not only the transmittedbeam, but at least one diffractedbeam as well.All of the beams passed by theobjective aperture are then madeto recombine in the image-formingprocess, in such a way that theiramplitudes and phases arepreserved.HRTEM allows to study of atomicstructure of crystalline and itsdefect.The High-Resolution TEMThe image shows one of the firstHRTEM images taken around1979.it is the <110> projection of theSi-lattice; a schematic drawing isprovided for comparison. It alsocontains a few special grainboundaries, called twinboundaries.The High-Resolution TEMI and II indicate two crystalorientation in crystal twin, whichare mirrored across the twinboundaries indicated by the heavywhite lines.White spots are position ofindividual sulfar(S) atoms, whichare close-packed layers whosestacking sequences are indicatedby “A”, “B”, and “C”.The heavy black zig-zig linefollows a single lattice planeacross the twin boundaries.Specimen PreparationProbably the most difficult and the most important aspect of the TEM technique is the preparation of high-quality thin Foils for observation (less than 200nm).The TEM sample preparation was divided into two categories, one for thin films and one for bulk materials.Thin-films, particularly metal layers, were often deposited on substrates and later removed by somesort of technique involving dissolution of the substrate.Bulk materials were cut and polished into thin slabs, which were then either electropolished(metals) or ion-milled (ceramics). Ion Mill Electro-polishingTo make a specimen from the bulk material, one has to cut it into a disk of 3 mm diameter, and about 100 nm thickness. The following techniques can be used:mechanical cutting (diamond knife)Cleaving（劈开法）electrolytic polishingchemical polishingion beam etchingBulk Specimen Preparation TechniquesThin Film Preparation TechniquesPreparation of thin films on a substrate by:?evaporation (e.g., chemical or physical vapor deposition)?sprayingelectrolytic precipitationPlacing a drop of suspension on the grid andevaporating the solvent.Replication TechniquesReplications（复型）–used to study fractured surfaces or surface topology:--Pour a plastic film on the sample to produce a negative cast;--Separate the cast;--Cover with a thin carbon resistant or metallic layer;--Dissolve the plastic layer to get the replica.Specimen SupportThe thin sample is held on a metal grid and viewed through its openings. In some models a thin graphitized net fills the holes of the metal grid.ConclusionTEM is an established technique for examining the crystal struct ure and the microstructure of materials.It is used to study all varieties of solid materials: metals, ce ramics, semiconductors, polymers, and composites.With the common availability of high-voltage TEM instruments today,a growing emphasis is being placed on atomic resolution imaging.Future trends include the use of ultra-high vacuum TEM instruments for surface studies and computerized data acquisition for quantitative image analysis.。
材料研究方法 (1)
材料研究方法 – 前言
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2. 课程的难点
（1）在现有条件下让学生尽可能对大型检测仪器的使用和 样品制作技术有一个感性认识，掌握相关研究方法在材料研 究领域中的具体应用，并初步掌握各类图谱的解析技巧； （2）扩大学生的专业英语的词汇量和听说能力。
2014-11-19
材料研究方法 – 前言
建设思路、内容和心得体会。
2. 课程教学示范
以章为单元，通过典型内容讲解，与各位老师
和同学分享我们的上课理念、方法和技巧。
2014-11-19
材料研究方法 – 前言
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课 程 建 设 总 结
一、课程建设的重要阶段及其工作内容
1. 1999年定为同济大学材料学院本科平台课程
团队建设、教材建设、教学理念和教学方法。
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材料研究方法 – 前言
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前言要点 一、 课程建设的重要阶段及其工作内容 二、 课程建设的工作重点 三、 课堂教学的几点体会 四、 课程的重点、难点及解决办法
五、 存在的问题
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材料研究方法 – 前言
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材料研究方法 – 前言
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1.
培养模式和课程目标 同济大学确立了以本科教育为立校之本、“知
识、能力、人格”三位一体的全面素质教育和复合
型人才培养模式；
材料专业制定了“宽专业、厚基础、强能力”
的培养目标。
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材料研究方法 – 前言
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本课程要达到的具体目标是：
材料研究方法 – 前言
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四、 课程的重点、难点及解决办法 1. 课程的重点
同济大学 道路工程材料课件 0.绪论
沥青混合料用粗集料质量技术要求
指 石料压碎值 洛杉矶磨耗损失 表观相对密度 吸水率 坚固性 标 单位 ％ ％ t/m3 ％ ％ ％ ％ ％ ％ ％ 高速公路及一级公路 表面层 26 28 2.60 2.0 12 15 12 18 1 3 其他层次 28 30 2.50 3.0 12 18 15 20 1 5
2
绪论
道路工程材料的主要类型
主要研究内容和研究方法
学习要求
3
一、道路工程材料的主要类型
• 桥梁工程结构用材料 • 构造物用材料 • 道路工程结构（面层、基层、垫层）用材料
4
路基路面结构示意图
5
道路路表
6
沥青路面的结构层次
我国 路面 面层 上面层 中面层 下面层 基层 底基层 垫层 路基 路基 国外 磨耗层 面层 路面 联结层 基层 底基层 路基改善层 路基 填土或天然土
37
路面加速加载试验（APT）
APT－Accelerated Pavement Testing
即（足尺）路面加速加载试验，是指：将可控 制的轮载在大于或等于规范限定的极限标准下， 施加到实际的多层路面结构，在可控的、加速 的变形累积条件下的路面响应和路面使用性能 变化的试验。
38
加速加载试验APT 试验场地：
3. 材料组成设计
13
1. 道路工程材料的组成与结构
物质的微观组成与结构决定了其宏观性能 道路工程材料所具有的各项性能取决于材料的组分、 结构与构造等因素。
材料组成对性能的影响 • 钢材（元素）：加入铬、镍可以提高防锈能力 • 岩石（矿物）：花岗岩主要成分为石英、长石
石灰岩主要成分为方解石
• 沥青（元素）：主要由碳氢元素组成 • 水泥（矿物）：提高硅酸三钙含量，硬化速度、强度提高
透射电镜工作原理
第四章照相底板照相底板0.2~0.3nm 改变线圈电流或电压利用荧光屏高度真空电子透镜电磁透镜的工作原理图2 电磁透镜的工作原理电磁透镜的工作原理图2 电磁透镜的工作原理电磁透镜的特点是景深大（场深），焦长很长。
从原理上讲，当透镜焦距、像距一定时，只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合，能在透镜像平面上获得该层平面的理想图象，而偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦，他们在透镜像平面上将产生具有一定尺寸的失焦圆斑，如果失焦圆斑尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么对透镜像分辨透镜像平面允许的轴向偏差定义为焦长。
当透镜焦距、物距一定时，像平面在一定的轴向距离内移动，也会引起失焦。
如果失焦尺寸不超过由衍射效应和像差引起的散焦斑，那么像平面在一定的轴向距离内移动，对透镜像分辨率并不产生影响。
电磁透镜的工作原理导线外围的磁力线都在铁壳中通过，由在软磁壳的内侧开一道环状的狭缝，从而可以减小磁场的广延度，使大量磁力线集中在缝隙附近的狭小区域之内，增强了磁场的强度。
图3 带有软磁壳的电磁透镜示意图为了进一步缩小磁场轴向宽度，还可以在环状间隙两边。
磁透镜可使有效磁场集中到沿透镜轴向几毫米的范围之内。
给出裸线圈加铁壳和极靴后透镜磁感应强度分布。
电磁透镜的工作原理与光学玻璃透镜相似，电磁透镜物距、像距和焦距三者之间关系式及放大倍数为：由于电磁波的波长或能量发生一定幅度的为由于球差造成的焦斑半镜后不能在像平面上聚焦成色差色差是由于入射电子波长（或能量）的非单一性所造成的。
色差ACs透射电镜的结构及工作原理镜筒照明系统—电子枪、聚光镜(p150)（50~100kV)成像系统—样品室、物镜、中间镜和投影镜图象观察和记录系统—荧光屏和照相装置透射电镜的结构及工作原理③本身有一定的力学强度和刚度，能忍受电子束的照射而不致畸变或破裂。
支持膜上的粉末试样要求高度分散，可根据不同情况选用如下分复型法塑料一级复型复型法(a)投影 (b)喷碳图4.12 样品处理示意图碳一级复型在真空镀膜装置中，将碳棒以垂直方向，如图4-12b)所示，向样品表面蒸镀10-20nm的碳膜(其厚度通过洁白瓷片变为浅棕色来控制。
材料研究方法-红外光谱-同济大学
同济大学《材料研究方法》精品课程
3/26
红外吸收光谱分析
分子在未受光照射之前，以上描述的诸能量均 处于最低能级，称之为基态． 当分子受到红外光的辐射，产生振动能级的跃 迁，在振动时伴有偶极矩改变者就吸收红外光 子，形成红外吸收光谱．
同济大学《材料研究方法》精品课程
4/26
红外吸收光谱分析
红外光谱根据不同的波数范围分为三个区： 近红外区 13,330~400O厘米-1（0.75~2.5微米） 中红外区4000~650厘米-1（2.5~15.4微米） 远红外区 650~10厘米-1（15~1000微米）
同济大学《材料研究方法》精品课程
11 /26 11/26
红外吸收光谱分析
2. IR光谱的产生条件
当一定频率（一定能量）的红外光照射分子时，如果 分子中某个基团的振动频率和外界红外辐射的频率一 致，就满足了第一个条件。为满足第二个条件，分子必 须有偶极矩的改变。 已知任何分子就其整个分子而言，是呈电中性的，但 由于构成分子的各原子因价电子得失的难易，而表现出 不同的电负性，分子也因此而显示不同的极性。
同济大学《材料研究方法》精品课程 9/26
红外吸收光谱分析
IR光谱分析的特点： 快速 • 高灵敏度 • 试样用量少 • 能分析各种状态的试样等特点 • 材料分析中最常用的工具
同济大学《材料研究方法》精品课程
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红外吸收光谱分析
6.3.2 红外光谱的产生条件
红外光谱是由于物质吸收电磁辐射后，分子振动转动能级的跃迁而产生的。 物质能吸收电磁辐射应满足两个条件，即： （1）辐射应具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量； （2）辐射与物质之间有相互作用。
1 k 2c mAmB /(mA mB )
材料研究方法
材料研究方法同济大学材料科学与工程学院林建教授，同济大学材料科学与工程学院，优秀课程“材料研究方法”的介绍1/24介绍材料的定义材料的定义是为了使有用建筑，设备或其他物体。
用于制造有用的结构，设备或其他物体的物质。
物质与人类物质与人类在人类生活和生产中，物质是必要的物质基础。
新材料的使用是人类生活和生产的必要物质基础。
新材料的使用在人类历史的发展中起着重要作用。
1970年代，人们在材料，信息和能源历史的发展中发挥了重要作用。
1970年代，人们曾经将材料，信息和能源概括为现代文明的三大支柱。
现在，他们预测即将发生新的技术革命，并将其概括为现代文明的三大支柱。
现在，他们预测将发生新的技术革命，并将信息技术，生物技术和新材料作为这一革命的重要标志。
信息技术，生物技术和新材料被视为这场革命的重要标志。
同济大学材料研究方法精品课程简介，从古代石器时代到青铜器时代，再到铁器时代和蒸汽机时代，每种新材料的出现和使用都将进入铁器时代和蒸汽时代。
引擎年龄。
每一种新材料的出现和使用都伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。
随着生产力和科学技术的发展，它标志着人类文明的进步。
石器时代，青铜器时代，铁器时代，蒸汽机时代，同济大学“材料研究方法”质量课程3/24简介按化学状态介绍材料的类型：金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料，复合材料根据化学状态：金属材料，无机非金属材料，有机高分子材料，复合材料等。
材料等。
根据用途：建筑材料，包装材料，信息材料，生物医学材料等。
用途：建筑材料，包装材料，信息材料，生物医学材料等。
材料的组成，结构和性能组成，材料的结构和性能材料的性能是材料的内在因素，而材料的性能是材料的综合体现。
在某些外部因素的作用下材料的内部因素。
在某些外部因素的作用下进行综合反思。
-物质的组成和结构取决于材料的特性-物质的组成和结构取决于材料的制备和使用条件。
制备和使用条件。
高温烧结多晶材料：陶瓷，水泥等。
同济大学材料研究方法精品课程
第四章的高速电子束轰击样品表射线波谱仪或能谱仪检测从试样表面有限深度和侧向扩展的微区体积内产生的特征μ m3电子探针仪的镜筒构造和扫描电镜大体相似，扫描电扫描电镜电子束相对于样品表面的入入射电子束流强度较低，一-12A，能使入射电子束斑直径小于10-5~10-13A。
为屏蔽系数。
Z为原子序数射线强度与该元素在样品中的浓度成比例射线的入射角固定，对样品进行微区扫描，即可得到某一元素的线分布或面射线谱仪用的波谱仪有多旋转式波谱仪用磨制的弯晶(分光晶体)，将光源(电子束在样品上的照射点)发射出的射线束会聚在X射线探测器的接收狭缝处。
通过将弯晶沿聚焦圆转动来改变角的大小，探测器也随着在聚焦圆上作同步运动。
光源、弯晶反射面和接收狭缝始终落在聚焦圆的圆周上。
图4.73 旋转式波谱仪，则出射较为ϕ2的透路程较长，其强度较低，计算时须增加修正系数，比较直进式波谱仪它的特点是x射线出射角 固定不变。
弥补了旋转式波谱仪的缺点。
因此虽然结构上比较复杂，但它是目前常用的一种谱仪。
弯晶在某一方向上作直线运动并转动，探测器也随着运动。
聚焦圆半径不变，圆心在以光源为中心的圆周上运动，光源、弯晶和接收狭缝也都始终落在聚焦圆的圆周上。
图4.74 直进式波谱仪存在着简单的线性关系。
因此，只要读出谱仪上的20~223.5~11.913.724~4024~3737~6551~92检测器将所有波长(能量射线光子几乎同时接收进来，每一能量为E的为产生一对电子空穴对所需要的能量=3.8eV)检测器将它们接收后经过数据能谱仪示意图图4.75 能谱仪电子束流小，束斑尺寸小，对样品的污染作用小，；而波谱仪大分钟内完成元素定性全分析能谱仪工作时，不需要象波谱仪那样聚焦，因而不（波谱仪可达~ U921000；（图护费用高，用超纯锗探测器虽无此缺点，但其分辨能谱仪与波谱仪的比较(b) 波谱仪(a)能谱仪 (b)图4.81 角闪石定点元素全分析I-λ记录曲线样品表面须具有良好的导电性。
材料研究方法
材料研究方法同济大学材料科学与工程学院教授林健教授，同济大学材料科学与工程学院优秀课程《材料研究方法导论》1/24材料定义导论是使建筑物和设备或其他物品有用。
制造有用的结构、设备或其他物体的物质。
物质与人的物质和人在人类生活和生产中，物质是必要的物质基础。
新材料的使用是人类生活和生产所必需的物质基础。
新材料的使用在人类历史的发展中起到了重要的作用。
20世纪70年代，人类在物质、信息和能源发展史上发挥了重要作用。
在20世纪70年代，人们曾经把物质、信息、能源概括为现代文明的三大支柱。
现在，他们预测一场新的技术革命即将发生，并将其概括为现代文明的三大支柱。
现在他们预测将发生一场新的技术革命，并将信息技术、生物技术和新材料视为这场革命的重要标志。
信息技术、生物技术和新材料被认为是这场革命的重要标志。
介绍同济大学材料研究方法的优秀课程。
从古代石器时代到青铜时代，再到铁器时代和蒸汽机时代，每一种新材料的出现和使用都将进入铁器时代和蒸汽时代。
发动机老化了。
每一种新材料的出现和使用都伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。
随着生产力和科学技术的发展，它标志着人类文明的进步。
石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽机时代，同济大学《材料研究方法》精品课程3/24导论按化学状态介绍材料种类：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料按化学状态分：金属材料，无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等按用途分类：建筑材料、包装材料、信息材料、生物医学材料等用途：建筑材料、包装材料、信息材料，生物医用材料材料的性能是材料的内在因素，而材料的性能是材料的综合性能。
物质的内部因素受到一些外部因素的影响。
在一些外部因素的影响下，进行了全面的反思。
-材料的成分和结构取决于材料的特性，材料的成分和结构取决于材料的制备和使用条件。
制备和使用条件。
高温烧结多晶材料：陶瓷、水泥等14种直拉、区熔单晶材料：硅、二氧化硅压电单晶等高温熔融玻璃材料；同济大学“材料研究方法”优秀课程5/24材料研究方法低温湿化学合成硅的意义，如平板玻璃、通讯光纤、纳米硅粉、高表面微孔材料等有机合成有机硅材料，广义：技术路线，实验技术，数据分析广义：技术路线，实验技术，狭义数据分析：狭义材料成分和结构测试的仪器方法：测试材料成分和结构的仪器方法X射线衍射分析X射线衍射分析，电子显微镜，电子显微镜，热分析，热分析，光谱分析，表面分析，表面分析等，材料研究方法的优秀课程，同济大学6/24 3教学目的《材料研究法》的教学目的：了解即时通讯研究材料结构和特点的重要性：了解研究材料结构和特点的重要性。
材料研究方法pdf
研究方法 肉眼、放大镜
显微镜 扫描电镜 扫描隧道电镜
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组织尺寸与检测仪器解析度
同济大学《材料研究方法》精品课程
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材料分析原理
材料分析的种类
化学成分分析、结构测定、图像分析
分析仪器
显微镜：显微组织观察 衍射仪：测定结构 谱仪：分析成分
分析仪器主要可分为三个单元
铁器时代
蒸汽机时代
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绪论
材料的种类
按化学状态分：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合 材料等。 按使用用途分：建筑材料、包装材料、信息材料、生物医用材料等。
同济大学《材料研究方法》精品课程
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材料的组成、结构与性能
—材料的性能是材料内部因素
效能
在一定外界因素作用下的综合反映。
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材料研究方法的含义
广义：技术路线、实验技术、数据分析
狭义：测试材料组成和结构的仪器方法 X射线衍射分析 电子显微分析 热分析 光谱分析 表面分析等
同济大学《材料研究方法》精品课程
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“材料研究方法”教学目的
Why：了解研究材料结构、性能的重要性
Understand why materials characterization is important
R. Jenkins, et al. Wiley Interscience. Scanning Electron Microscopy and X-Ray
Microanalysis. J. Goldstein, et al. Springer. Introduction to Thermal Analysis. M.E. Brown.
材料研究方法3精品PPT课件
2020/10/10
材料研究方法 – 光学显微分析
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2.2.2 光与固体物质的相互作用
一束光入射到固体物质的表面，会产生光的折射 、反射和吸收等现象，其折射、反射和吸收性能和光的 性能、入射方法及固体物质性质有关。
1. 光的折射
光的折射定律
2020/10/10
材料研究方法 – 光学显微分析
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2020/10/10
2020/10/10
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电磁波谱
光学显微分析 使用波段：
可见光波段 390~770nm
2020/10/10
材料研究方法 – 光学显微分析
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2. 自然光和偏振光
——自然光：垂直于光的传播方向振动，在垂直于光的 传播方向的平面内的任意方向振动。
——偏振光：垂直于光的传播方向振动，且只在垂直于光 的传播方向的平面内的某一方向振动。
并以此来研究形成这些物相结构的工艺条件和 产品性能间的关系。
2020/10/10
材料研究方法 – 光学显微分析
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2.2 晶体光学基础
2.2.1 光的物理性质
1. 光的波动性
光的波粒二象性
波动学说解释晶体光学
横波与纵波
纵波
电磁波谱
可见光：
3900-7700埃
2020/10/10
横波
材料研究方法 – 光学显微分析
理，光学显微镜分辨本领达0.2Байду номын сангаас米理论极限
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材料研究方法 – 光学显微分析
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材料研究方法 – 光学显微分析
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透镜是一种将光线聚合或分散的设备，通常是由一片玻璃 构成，但用于其他电磁辐射的类似设备通常也称为透镜：例 如，由石蜡制成的微波透镜，用玻璃、树脂或水晶等透明材 料制成的放大镜、眼镜等，也都是透镜。
材料研究方法
材料研究方法 – 前言
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4. 教学方法 整个教学环节被分成以下5块内容，力求知识和
能力的全面提高： 1）传统理论教学； 2）由学有专长的教授和实验专家做专题报告； 3）进入实验室观摩整个实验过程； 4）让学生自主设计课程小课题，并进行实验和结果 分析，结合收集文献资料，形成报告和上讲台讲解 自己的报告内容； 5）开展双语教学。
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材料研究方法 – 前言
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2. 课程的难点
（1）在现有条件下让学生尽可能对大型检测仪器的使用和 样品制作技术有一个感性认识，掌握相关研究方法在材料研 究领域中的具体应用，并初步掌握各类图谱的解析技巧； （2）扩大学生的专业英语的词汇量和听说能力。
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材料研究方法 – 前言
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材料研究方法 – 前言
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3. 教材建设（续）
编写了配合双语教学用的英语教材； 在课程中不断引入本院教师和国内外最新研究成果 并形成各种测试技术的图谱集； 设置了《材料测试与结构表征综合设计实验系列课 程》，让学有余力，并有兴趣的学生有选择的进入这 类辅修课程。
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材料研究方法 – 前言
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4. 教学方法（续）
在《材料研究方法》课程之外设置短训班性质的 《材料测试与结构表征综合设计实验系列课程》，让学 有余力，并有兴趣的学生（约15%）有选择的进入这类 辅修课程。 通过上机实验使学生了解各类大型仪器的基本结构 和工作原理，掌握仪器的基本操作并能通过相关仪器对 材料进行微观结构和形态的表征。
材料研究方法 – 前言
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四、 课程的重点、难点及解决办法 1. 课程的重点
（1）在教学内容方面，其重点使学生了解材料结构与性能 的表征方法和有关测试仪器的结构原理及其应用、掌握材料 主要近代仪器分析方法所涉及的制样技术、图谱解析方法和 它们在材料研究领域中的具体应用； （2）由于本课程是双语教学，在外语运用能力上，力求使 学生通过课堂听课和练习，提高学生在本专业的领域内运用 英语进行学术交流的能力；
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材料科学与工程学院 林健
65901283 lin_jian@
2006.3
绪论
材料的定义
用以制造有用的构建、器件或其它物品的物质。
材料与人类
在人类的生活和生产中，材料是必需的物质基础。新材料的使用对人类 历史的发展起了重要的作用。20世纪70年代人们曾把材料、信息、能源 归纳为现代文明的三大支柱，现在又预言新的技术革命即将来临，并且 把信息技术、生物技术和新型材料作为这次革命的重要标志。
材料研究方法的含义
广义：技术路线、实验技术、数据分析
狭义：测试材料组成和结构的仪器方法 X射线衍射分析 电子显微分析 热分析 光谱分析 表面分析等
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“材料研究方法”教学目的
Why：了解研究材料结构、性能的重要性
Understand why materials characterization is important
所用仪器包括： 光谱（紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、激光拉曼光谱等） 色谱（气相色谱、液相色谱、凝胶色谱等） 热谱（差热分析、热重分析、示差扫描量热分析等） 表面分析谱（X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电子探针、原子探 针、离子探针、激光探针等） 原子吸收光谱、质谱、核磁共振谱、穆斯堡尔谱等
化学成分分析
What：掌握材料结构、性能的测试方法
Know what techniques are available for materials characterization
How：了解影响材料测试、分析结果的仪器因素
Understand how strengths and weaknesses of characterization techniques affect our interpretation of results
按使用用途分：建筑材料、包装材料、信息材料、生物医 用材料等。
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材料的组成、结构与性能
—材料的性能是材料内部因素
效能
在一定外界因素作用下的综合反映。
—物质的组成和结构取决于材料
性质
的制备和使用条件。
合成
组成
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Si
Silicon
高温烧成 直拉法、区熔法 高温熔制 低温湿化学合成 有机合成
多晶材料：陶瓷、水泥等 单晶材料：单晶硅、SiO2压电单晶等 玻璃材料：平板玻璃、通信光纤等 纳米氧化硅粉体、高表面微孔材料等 有机硅材料等
材料结构与研究方法分类
1. 材料结构层次
结构：材料系统内各组成单元之间的相互联系和相互作 用方式。
结构层次
物体尺寸
研究对象
研究方法
宏观结构 显微结构 亚显微结构
>100μm 0.2-100μm 10-200nm
大晶粒、颗粒集团 多晶集团 微晶集团
肉眼、放大镜 显微镜
扫描电镜
微观结构
<10nm
晶格点阵
气相色谱 凝胶色谱
质谱 穆斯堡尔谱
参考书目
材料研究方法，王培铭 等，科学出版社。 Encyclopedia of Materials Characterization.
C.R Brundle, et al. Butterworth-Heinemann. Introduction to X-ray Diffractometry.
光学显微分析
电子显微分析
偏光显微镜 反光显微镜
扫描电镜 电子探针
透射电镜
原子力显微镜
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授课内容（2）
X射线衍射分析
X射线衍射分析
热分析
差示扫描量热分析 差热分析
热机械分析 热重分析
授课内容（3）
光谱分析
紫外光谱
红外光谱 核磁共振
激光拉曼光谱
核磁共振
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授课内容（4）
其它分析方法
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绪论
材料科学的任务
使用、研究和制造材料
--材料是人类文明的物质基础 ，从远古的石器时代到青铜器时代， 然后再进入铁器时代、蒸汽机时代，每一种新材料的出现和使用，都 伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。
石器时代
青铜器时代
铁器时代
蒸汽机时代
绪论
材料的种类
按化学状态分：金属材料、无机非金属材料、有机高分子 材料、复合材料等
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材料分析原理
材料分析的种类
化学成分分析、结构测定、图像分析
分析仪器
显微镜：显微组织观察 衍射仪：测定结构 谱仪：分析成分
分析仪器主要可分为三个单元
激发源 分析器 检测器
材料分析方法（激发源辐射）
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2. 研究方法分类
化学成分分析
化学成分的表征包括元素成分分析和微区成分分析。
扫描隧道电镜
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材料的结构层次
结构层次 宏观结构 显微结构 亚显微结构 微观结构
SiO2的结构形貌
物体尺寸
研究对象
>100μm 0.2-100μm 10-200nm
<10nm
大晶粒、颗粒集团 多晶集团 微晶集团 晶格点阵
研究方法 肉眼、放大镜
显微镜 扫描电镜 扫描隧道电镜
组织尺寸与检测仪器解析度
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结构测定
包括晶体结构、薄膜结构、表面结构分析等
X射线衍射分析：晶体结构分析。 电子衍射：选区晶体结构分析。 中子衍射：晶体结构分析、晶体磁学性质研究等。 俄歇电子能谱：表面结构分析。
结构分析
卢瑟福背散射卢瑟福背散射是通过探测样品表面区靶核弹性散射的 离子束进行分析。应用于材料表面与薄膜结构分析
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图像分析
光学显微分析
（透射光显微镜、反射光显微镜、 偏光显微镜
近场光学显微镜等）
下的磷石英
反光显微镜下 的水泥熟料
电子显微分析（扫描电镜、透射电镜）
隧道扫描显微镜、原子力显微镜等
近场光学显微镜 下的数据光盘
扫描电镜下 的纳米碳管
透射电镜下 的SiC晶须
AFM下的染色体
图像分析
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表面分析
授课内容（1）
R. Jenkins, et al. Wiley Interscience. Scanning Electron Microscopy and X-Ray
Microanalysis. J. Goldstein, et al. Springer. Introduction to Thermal Analysis. M.E. Brown.
Kluwer Academic Public. 无机非金属材料测试方法，杨南如，
武汉工业大学出版社。 材料近代分析测试方法，常铁军 等，
哈尔滨工业大学出版社。 材料结构表征及应用，吴刚 等，
化学工业出版社。
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